为什么粉红色钻石呈现粉红色?
GIA 研究人员深度剖析粉红色钻石的晶体结构
十月 18, 2019
天然的粉红色钻石在地球宝藏中非常稀有珍贵。在大型拍卖会上,顶级、颜色浓郁的宝石每克拉的价格高达 200 多万美元。价格之所以如此之高,是因为它们美丽又稀有。只有一小部分钻石带有粉红色,而这一小部分钻石中,又仅有极小的一部分钻石带有艳丽浓郁的颜色。
然而实验室制造的粉红色钻石与大多数天然的粉红色钻石大不相同。GIA 研究人员表示,大多数这些彩色钻石在自然界中形成的方式,是制造商无法复制的。
GIA 的研究人员,高级研究科学家 Sally Eaton-Magaña(莎莉·伊顿·马加纳)博士、研究助理 Troy Ardon(特洛伊·阿登)、研究科学家 Karen V. Smit(卡伦·V.斯密特)博士、高级研究科学家 Christopher M. Breeding(克里斯托弗·M.·布里丁)博士和特聘研究人员 James Shigley(詹姆斯·希格利)博士利用 GIA 2008 年至 2016 年期间分级的 90,000 多颗天然粉红色和相关彩色钻石的庞大数据库,制作出目前为止最为详尽的粉红色钻石宝石学分析报告,发表在 GIA 的《宝石与宝石学》(Gems & Gemology) 2018 年冬季刊上。
这 90,000 多颗钻石的样品集包括 2008 年至 2016 年提交给 GIA 的所有以粉红色为主色的钻石,同时还将色彩范围从红色扩大到紫色,色度范围从微扩大到暗,还涵盖了褐色钻石,这种钻石的成色原因和粉红色及相关宝石类似。这 90,000 颗钻石之中,很多是尺寸小、色度低的钻石。
这项研究证明,99.5% 的粉红色钻石的颜色形成是由于钻石晶体结构变形,而并非微量元素导致,例如氮,这种微量元素生成钻石中的黄色,而硼生成蓝色。在含有氮的粉红色钻石中,颜色通常集中在平行窄带中,这些窄带叫做滑移面、片晶,或根据颜色,称为粉红色或褐色孪晶纹。这些线条在显微镜下可见,钻石切磨师将它们垂直于台面,来最大化呈现体色。
虽然通过实验室处理加工可以引入许多生色缺陷,但是塑性变形导致的钻石晶体结构原子级别的变形是无法引入的。
“我们知道绝大多数带这些颜色的钻石都与塑性变形有关,但我们仍然不知道生成这些颜色的缺陷的实际原子结构”,Breeding(布里丁)说道。他指出,粉红色是由集中在光谱分析中 550 纳米的宽吸收带导致的。光谱分析是重要的宝石学工具,用于测量钻石(和其他宝石)中的杂质和其他缺陷,这些缺陷在可见光谱中产生特定的吸收峰或吸收带。研究人员指出目前没有办法通过实验室处理或制造过程来复制 550 纳米吸收带的塑性变形。
所有提交给 GIA 分级鉴定所的彩色钻石都经过了严格分析,确保钻石颜色及钻石本身都是天然的,这让 GIA 的数据库成为研究工作详尽宝贵的资源,Shigley(希格利)说道。他还补充道,团队挑选了 1000 颗具有代表性的粉红色钻石,来为《宝石与宝石学》(Gems & Gemology)的文章做更深入的剖析。
实验室制造的粉红色钻石是如何产生的?
Eaton-Magaña(伊顿·马加纳)说,市面上有实验室制造的粉红色钻石,它们有三种不同的制造方式。
“第一种方式,也是目前最常见的,就是通过辐射处理(暴露于辐射中)含氮杂质的实验室制造的钻石,之后将其放入中等温度(600°C 至 1000°C),”她说,“大多数粉红色和相关色都是用这种方法形成。”
这个过程在晶格中产生缺陷(晶格中邻近一个氮原子的一个碳原子缺失导致),这个叫做氮空位中心,就是它生成了颜色。Eaton-Magaña(伊顿·马加纳)说很小一部分的天然粉红色钻石有这种氮空位中心,可以通过 575 纳米和 637 纳米的光谱线识别。
“这些带有氮空位的粉红色钻石仅占 GIA 数据库中天然粉红色钻石的 0.5%。”她说道。它们属于 IIa 型钻石(一种化学组成极其纯净的稀有钻石:几乎全是碳,还有可以忽略不计的氮或硼),带着非常均匀的粉红色,没有可见的有色片晶。这些宝石有时被称为 Golconda(戈尔康达)粉红色钻石,但它们并非一定和 18 世纪晚期关闭的那个印度矿区有关。
她说道,一般来说带有天然氮空位的粉红色钻石颜色较淡,而实验室制造和处理加工过的钻石颜色更深。额外的测试,比如在宝石学鉴定所的测试,对于确定此类钻石的颜色成因至关重要。
研究人员提到的第二种方法仅存在于用化学蒸汽沉积法(CVD)制造的实验室钻石,在制造过程中利用 520 纳米光谱带来生成橙-粉红色。研究人员说,GIA 只见过一些这样的宝石,它们的颜色不像其他验室制造的粉红色钻石那样鲜艳。
第三种方法就更罕见了,Eaton-Magaña(伊顿·马加纳)说道,在 CVD 制造过程中添加大量硅,当宝石暴露于紫外线中时,就会产生从稳定粉红色到短暂蓝色的可逆的颜色变化。
大小和颜色统计:粉红色钻石是否稀有?
这项研究的钻石组中,47% 属于无修饰色(未观察到其它颜色)的粉红色钻石;28% 属于紫粉红色到粉紫色范围;17% 属于褐粉红色到粉红褐色范围;10% 属于褐橙-粉红色到橙-粉红色范围;3% 属于褐色;1% 属于紫-褐色、紫-灰色和紫色;还有 0.9% 属于红色、褐-红色或橙红色。无修饰色的粉红色钻石中,54% 的钻石被分级为微粉红色至淡粉红色。
尽管褐色钻石是自然界中最常见的彩色钻石,它们在这组样品中的占比却很低,这说明了大多数褐色钻石都未取得鉴定证书就直接销往市场。褐色与其他如粉红色或黄色的色彩同时存在,或者褐色宝石就被处理加工成其他颜色。
这组样品中的绝大多数(83%)钻石重量不到一克拉,其中 56% 低于半克拉。主要形状为圆形(24%)、梨形(20%)、矩形(16%)和垫形(13%)。
这项对粉红色及相关色钻石展开的迄今最全面的研究发现,其中 IIa 型钻石占比 25%,远远高出无色至近无色钻石比例(比例小于5%),Breeding(布里丁)说道。
大多数 Ia 型粉红色钻石(含有在晶格中作为杂质的集群或氮原子聚合物)几乎都来自两处:澳大利亚的 Argyle(阿盖尔)矿区和俄罗斯,这两个地方恰好就是这种宝石产量最高、最稳定的地方。而 IIa 型粉红色钻石和其他 Ia 型粉红色钻石则来自其他地方,比如坦桑尼亚、南非和巴西,但没有报告显示这些矿区有常规生产活动。
“不同类型的钻石都来自特定区域,一种类型的钻石在别的区域还很难发现,这真是罕见。”Breeding(布里丁)说道。他还补充道,因为阿盖尔矿区是高色度(彩色)粉红色、紫粉红色和红色钻石的主要来源,明年该矿区关闭后,这些类别的宝石数量将大幅下降。
研究助力自动检测处理/实验室制造钻石
这项粉红色钻石研究让 GIA 更好地理解这种罕见而美丽的钻石的形成原因和颜色成因。研究人员通过分析吸收光谱和光致发光数据,发现了许多原子水平上的新细节。这些研究成果增加了研究人员对这些奇特宝石的认识,让他们能更快、更准确地鉴定这些宝石。
这项研究为 GIA 升级开发 GIA iD100® 宝石检测设备提供了更多支持,该设备增添了一项功能,可准确筛查粉红色和相关色钻石中的处理加工和合成。
Russell Shor(罗素·肖尔)是 GIA 卡尔斯巴德的资深行业分析师。